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Fotodetección
1- Conceptos básicos de Fotodetección
2- Responsividad
3- Tiempo de respuesta y Ancho de banda
Prof. Miguel A. Muriel
Miguel A. Muriel - Comunicaciones Ópticas - Fotodetección -1
1- Conceptos básicos de Fotodetección
Fotodetección  ABSORCION
Ti
Tipos
de
d Fotodetectores
F t d t t
1) Térmicos
 Absorben
Ab b lla energía
í óptica
ó i  cambian
bi su temperatura.
Convierten la energía del flujo de fotones incidentes en calor 
 el cambio de temperatura afecta a alguna propiedad
que puede medirse externamente.
-Bolómetro  R(T ) (cambia su resistencia eléctrica)
-Piroeléctrico  C (T ) ((cambia su capacidad)
p
)
Tiempos de respuesta muy grandes  No son adecuados para Comunicaciones
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2) Fotoeléctricos
 Absorben la energía del flujo de fotones 
 originan transiciones electrónicas a niveles de energía más altos 
 generan portadores de carga ( e- y h + ) 
 mediante un campo externo aplicado producen una fotocorriente 
 fotocorriente que genera una tensión en una impedancia de carga
Dos tipos:
a ) ( Efecto externo ) Emisión Fotoeléctrica
 los electrones fotogenerados escapan del material como electrones libres.
b) ( Efecto interno ) Fotoconducción
 los electrones fotogenerados quedan dentro del material semiconductor
 aumentan su conductividad
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Emisión Fotoeléctrica
Emax  h  W
Emax  h  ( Eg   )
(2)
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Fotoconducción (Semiconductores)
Fotogeneración de un par electrón-hueco
(1)
h  Eg
(2)
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c
hc
h
h  Eg  h  Eg   
 c ( de corte)
E

g
c
No hay absorción para   c
Pabsorbida
Cada fotón absorbido  par e -h   R ( ) 

Pin
Eficiencia
-
+
cuántica
de recepción
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Ptransmitida  Pin e  (  )d
 ( )  Coeficiente de Absorción del semiconductor
 ( )
(1)
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(2)
x penetración



e
 x penetración
e

x penetración
1/ 

1
1
 x penetración 
e

Profundidad de penetración
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Pin  (1  R) Pin  (1  R) Pin e (  ) d


T 1
Ptransmitida
d
Pabsorbida  ((1  R) Pin
e
0

 x
0( d  0)
dx
 x
e
 dx
1( d  )


 (1
(  R) Pin (1
(  e  (  ) d )
0

( ) 
Efi i i
Eficiencia
óptica
de absorción
Pabsorbida
 (1  R ) (1  e  (  ) d )

Pin
1
   c 
  104 cm 1 
10 ·5·10
 0,993  1
   1 e
d  5 m 
4
4
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 (  ) d

(

)



(

)


(1

R
)
(1

e
)
R
 

Eficiencia
cuántica
de recepción
Eficiencia
óptica
de absorción
1
1
Nº de pares e- -h + generados que contribuyen a la corriente
 
Nº de pares e- -h + generados
 ( )

Pin  
 Pabsorbida 
 I ph
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2- Responsividad
I ph

Fotocorriente

R
Eficiencia
cuántica
de recepción

 q 
 
 h 
Potencia incidente
Pin

Nº de pares e- -h + generados que contribuyen a la corriente
R 
Nº de fotones incidentes
Fotones  e- -hh +

Fotones  e- -h + + Fotones  e- -h +
(2)
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
 q
 R 
Pin
 h
I pph
  m






A /W 

R
R

hc
1, 24

q
(2)
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  R
  m
1 24
1,
 1  e
 (  ) d

  m
  c 
1,
1 24

c

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(2)
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3- Tiempo de respuesta y Ancho de banda
(2)
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vd

velocidad
de arrastre
 ve  e E
Q
Q
E
I
v
I
 
 
 E
d 
w
w
vh  h E
(2)
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(2)
w
 tr  Tiempo de tránsito  Combinación de  e y  h  ( tr  )
vd
Típicamente w  10  m, vd  105 m / s   tr  100 ps
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(2)
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Tiempo de respuesta
1)  fotodiodo  Combinación de  tr y  difusión
Se minimiza  difusión
d f ó   fotodiodo
f d d   tr  w
2)  RC  Tiempo del circuito equivalente (generalmente  RC  RC )
Tr

  ln 9  ( trt   RC )  2, 2( trt   RC )
tiempo de subida
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(2)
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Ancho de banda
1
0,35
f 

Tr
2 ( tr   RC )
 tr   RC  100 ps  f  1GHz
 tr   RC  10 ps  f  10GHz
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(1) Agrawal, "Fiber-Optic Communication Systems", 3rd Ed., Wiley, 2002
(2) Saleh and Teich, "Fundamentals of Photonics", 1st Ed., Wiley, 2007
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